定向凝固包晶合金相選擇理論及其微觀組織模擬.pdf

1、本文選擇工程上應(yīng)用廣泛的包晶合金作為研究對象，研究其在定向凝固條件下，先后發(fā)生液固和包晶相變過程的相和微觀組織的選擇，并采用相場法模擬合金在這兩個相變過程的微觀組織演化。對理論計算與模擬結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證。
　　對于定向凝固的包晶合金，人們常提出以成分和溫度梯與生長速率比值作為函數(shù)的相和微觀組織選擇理論模型，來盡可能預(yù)測合金在定向生長實驗中觀察到的異彩紛呈的凝固組織。對于大多數(shù)低速生長的合金，需要經(jīng)歷很長一段凝固距離才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)生

2、長，初始過渡區(qū)內(nèi)的相和組織選擇對后續(xù)凝固有十分重要的影響。針對當(dāng)前相選擇理論模型建立在相的近穩(wěn)態(tài)生長情況，利用充分形核假設(shè)、成分過冷準(zhǔn)則以及相穩(wěn)定生長的最高界面溫度判據(jù)，建立了純擴(kuò)散條件下從初始過渡到接近穩(wěn)態(tài)整個區(qū)間的相和微觀組織選擇理論模型。利用該模型分別計算了Ti-(40-50)Al(at.％)合金達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長時和Fe-Ni合金在初始過渡區(qū)內(nèi)及達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長時的相選擇圖，均與實驗結(jié)果吻合較好。
　　借助上述相選擇理論模型確定的定

3、向凝固包晶合金相和微觀組織、初始合金成分和生長條件之間的對應(yīng)關(guān)系，采用相場法模擬合金在液固和包晶相變過程組織形態(tài)的詳細(xì)演化。
　　在液固相變過程，針對當(dāng)前液固相變相場模型只適合對理想溶液或稀溶液合金的微觀組織演化進(jìn)行模擬，采用計算相圖熱力學(xué)模型構(gòu)造凝固體系自由能的方法，建立了適合對各種溶液模型合金液固相變微觀組織演化進(jìn)行模擬的“廣義”相場模型，拓寬了相場法的應(yīng)用范圍；同時，提出“鄰界面點相場大梯度計算域控制法”，能嚴(yán)格控制計算域，

4、顯著提高相場計算效率且誤差極小。采用上述模型及計算方法，以具有亞規(guī)則溶液模型的Ti-(40-50)Al(at.%)合金為例，模擬其在發(fā)生液固相變Lβ→過程，單個晶粒的等溫
　　和非等溫自由枝晶生長，獲得了凝固微觀組織的動態(tài)演化過程，以及與實驗觀察相吻合的現(xiàn)象，如枝晶臂的粗化和根部頸縮，以及枝晶臂間的碰撞、融合和競爭生長等。對不同生長條件下枝晶尖端溶質(zhì)分布進(jìn)行了定量分析，表明，模擬結(jié)果與經(jīng)典凝固理論相符合，說明該“廣義”相場模型的準(zhǔn)

5、確性。
　　模擬了Ti-45Al(at.%)合金在快速 Bridgman定向凝固條件下，發(fā)生液固相變過程的界面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化。表明，當(dāng)生長速度低于維持高速平界面的絕對穩(wěn)定速度時，隨著生長速度的增大，存在胞狀樹枝晶向細(xì)胞晶的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，固液界面處溶質(zhì)富集程度逐漸減小，溶質(zhì)分配系數(shù)增大且不斷向1逼近；當(dāng)生長速度達(dá)到該絕對穩(wěn)定速度時，初始平界面輕微失穩(wěn)后將再次恢復(fù)為平界面，界面處出現(xiàn)溶質(zhì)的完全截流，形成接近無偏析結(jié)構(gòu)。模擬還

6、獲得了該合金在溫度梯度為800K/cm時，隨生長速度變化的非平衡溶質(zhì)分配模型。隨后，對Ti-44Al(at.%)合金存在小的邊界熱交換張量的過冷定向凝固進(jìn)行模擬。由于凝固潛熱的釋放和邊界熱流的交換對體系溫度場有“同等”的影響，導(dǎo)致形成胞/枝晶共存的微細(xì)結(jié)構(gòu)。模擬還再現(xiàn)了定向凝固實驗常觀察到的尖端分裂現(xiàn)象，模擬獲得的枝晶形態(tài)與實驗結(jié)果吻合較好。
　　對定向凝固Ti-Al合金液固相變過程的模擬結(jié)果，既與經(jīng)典凝固理論相符合，又與實驗觀察

7、相一致，而且還能定量給出非平衡溶質(zhì)分配信息，充分說明該“廣義”相場模型的正確性和有效性。
　　在包晶相變過程，針對當(dāng)前包晶相變相場模型只適合對假想合金的模擬，通過優(yōu)化體系自由能密度“特征參數(shù)”，建立了適合對具體合金包晶相變微觀組織演化進(jìn)行模擬的多相場模型，并以Ti-(40-50)Al(at.%)合金為例，模擬其在純擴(kuò)散條件下，形核控制的兩相微觀組織演化。獲得了隨形核率和合金初始成分變化的組織選擇圖，與理論分析相一致。模擬獲得的組織